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空間激光通信是以激光束作為信息載體，在空間進行數據傳輸的一種通信方式，其通信終端主要由激光通信系統和捕獲、跟蹤、對準（acquisitiontrackingandpointing，ATP）系統兩大部分組成［1－3］．在空間激光通信中，不僅要求ATP系統能穩定、快速地跟蹤對方終端發射的目標光束，還必須將目標光束控制在激光通信鏈路信號傳輸誤碼率要求的范圍內，因此要求ATP系統具有快速的跟蹤能力和非常高的控制精度［4］．而快速跟蹤意味著ATP系統應具有快速的響應和較寬的控制帶寬；控制精度高意味著ATP系統的跟蹤誤差小，二者之間相互矛盾．為解決這一問題，本文中將滑模控制用于ATP系統復合控制結構的精跟蹤系統中，既增加了ATP精跟蹤系統的控制帶寬，又提高了系統的控制精度，使系統具有較好的穩態性能和動態性能．

1ATP系統跟蹤控制模型

空間激光通信ATP系統中的捕獲、跟蹤和對準功能是以跟蹤控制回路為中心，由粗跟蹤系統和精跟蹤系統完成的．粗、精跟蹤系統主要由光電跟蹤傳感器單元、信號處理控制單元和跟蹤伺服機構組成．在粗精復合控制系統中，粗跟蹤控制系統的跟蹤誤差大于精跟蹤傳感器探測視場時，精跟蹤控制系統不起作用；粗跟蹤控制系統的跟蹤誤差小于精跟蹤傳感器探測視場時，精跟蹤控制系統進入跟蹤狀態，通過精跟蹤傳感器構成光閉環，進一步校正粗跟蹤殘余誤差．圖1為雙探測器粗精復合跟蹤控制模型［5］．圖中Ects（s）和Efps（s）分別為粗、精跟蹤系統光電跟蹤探測單元傳遞函數，Dctc（s）和Dfpc（s）分別為粗、精跟蹤控制器傳遞函數，Gctp（s）和Gfpp（s）分別為粗、精跟蹤系統的伺服機構和被控對象傳遞函數；θt和θo分別是粗精復合軸跟蹤系統期望的視軸角和實際輸出角；θc和θf分別是粗、精跟蹤控制回路的輸出角；ec和ef分別為粗、精跟蹤系統的跟蹤誤差．圖1ATP系統粗精復合跟蹤控制模型Fig．1ModelofcoarseandfinetrackingcontrolofATPsystem由圖1可分別得出粗、精跟蹤控制回路閉環等效傳遞函數為Gct（s）＝Gcto（s）1＋Gcto（s），（1）Gfp（s）＝Gfpo（s）1＋Gfpo（s）．（2）式中：Gcto（s）為粗跟蹤控制回路開環傳遞函數，Gcto（s）＝Ects（s）Dctc（s）Gctp（s）；Gfpo為精跟蹤控制回路開環傳遞函數，Gfpo（s）＝Efps（s）Dfpc（s）Gfpp（s）．復合跟蹤控制系統的閉環傳遞函數為Gclose（s）＝θo（s）θt（s）＝Gcto（s）＋Gfpo（s）＋Gcto（s）Gfpo（s）［1＋Gcto（s）］［1＋Gfpo（s）］．（3）由式（3）可得系統等效開環傳遞函數為Gopen（s）＝Gcto（s）＋Gfpo（s）＋Gcto（s）Gfpo（s）．（4）由式（4）可知，所研究的ATP系統粗、精復合控制跟蹤精度由精跟蹤系統控制精度決定［6］，因此，精跟蹤控制回路控制器的設計是改善ATP系統跟蹤性能的關鍵．考慮粗、精跟蹤系統的控制是獨立的，本文中僅討論精跟蹤系統控制器的設計對ATP系統跟蹤性能的影響．

2精跟蹤控制器設計

一個快速高精度跟蹤系統，既需要有高帶寬、高精度的執行機構，又需要有響應快速、定位精度高的位置探測器件［7］．圖2為設計的精跟蹤伺服系統控制回路．它由高精度四象限探測器、信標光斑位置解算處理單元、精跟蹤控制器、壓電陶瓷驅動器（PZT）和快速控制反射鏡組成．小慣量的反射鏡黏合在壓電陶瓷上，可實現反射鏡傾角的快速高精度調整．根據實驗系統所選的壓電陶瓷驅動器及實測輸出的頻率響應數據（輸入電壓幅值為10V），經曲線擬合得驅動器在方位（俯仰與方位相似）方向上的頻率特性曲線如圖3所示．由此可得壓電陶瓷驅動的快速反射鏡的模型為Gfpp（s）＝θf（s）U（s）＝KPZTω2n（τs＋1）s2＋2ζωns＋ω2n．（5）式中：等效阻尼比ζ＝0．7；等效振蕩頻率ωn＝750Hz；壓電陶瓷驅動器放大倍數KPZT＝10．令Efps（s）＝1，采用頻域法設計精跟蹤控制器的等效開環傳遞函數為滑模控制特性是一種使系統結構隨時間變化的開關特性．從理論上分析可知，采用滑模控制，通過調節參數能夠控制系統的增益、積分、微分常數實時地變化．

3精跟蹤控制實驗分析

ATP系統跟蹤的目的在于穩定通信終端系統視軸，使主從激光通信終端之間存在相對運動時［9］，系統視軸在跟蹤過程中的角速度和角加速度對于位置伺服單元將引起動態滯后跟蹤誤差小于期望的數值．精跟蹤系統能夠完全校正粗跟蹤系統的系統誤差，因此ATP系統最終跟蹤精度取決于精跟蹤系統對粗跟蹤系統產生的隨機誤差的校正能力．精跟蹤系統控制帶寬越寬，抑制粗跟蹤系統產生隨機誤差的能力就越強．為研究滑模控制對ATP系統跟蹤性能的影響，圖4給出了用頻域法和滑模控制方法設計的精跟蹤控制誤差抑制函數頻率響應曲線．從圖4可看出，用頻域法控制時，誤差頻率響應曲線相對較陡，當其頻率大于290Hz時，系統對誤差沒有校正能力，且0dB以上曲線凸起部分對系統隨機誤差起放大作用，放大倍數可達到1．5倍．而用滑模控制，在整個工作頻率范圍內，系統對誤差都有校正能力，可見，滑模控制增加了系統中頻段的控制帶寬．從圖4中還可看出，當粗跟蹤系統隨機誤差頻率為3．7Hz，頻域法和滑模控制具有相同的抑制比，為－43dB．如果粗跟蹤系統隨機誤差最大幅值為150μrad，為使跟蹤系統的跟蹤誤差小于2μrad，誤差抑制比應小于－37dB，此時若采用頻域法，粗跟蹤系統隨機誤差頻率小于5．5Hz，而用滑模控制，粗跟蹤系統隨機誤差頻率小于8Hz．這說明滑模控制對誤差的校正能力在中頻段優于頻域法設計的結果．圖5給出了頻率為8Hz時，模擬相對運動引起的動態滯后跟蹤誤差仿真結果，此時頻域法和滑模控制的調節時間相同．滑模控制是根據誤差和誤差變化率的大小來改變精跟蹤控制器輸出的，從而達到改善精跟蹤系統的過渡過程，提高跟蹤系統控制精度的目的．

4結論

設計了滑模控制律精跟蹤控制器，并將其用到空間激光通信ATP系統跟蹤控制的仿真分析和模擬實驗系統研究中．通過與頻域設計方法對比，證明指數趨近率滑模控制方法的有效性和對動態滯后跟蹤誤差的抑制能力．